机械臂系统中的Ｍ－ＬＶＤＳ高速串行通信控制方法技术方案

机械臂系统中的Ｍ－ＬＶＤＳ高速串行通信装置及其通信控制方法，它涉及的是高速串行通信的技术领域。它是为了克服现有机械手的上位机与下位机之间通讯总线的通信速率太低，导致存在下位机不能快速的从上位机中更新关节角度期望值、速度值、加速度值和此时关节所承受的重力数据的问题。它的主Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（２－２）、Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（３－１）的串行通信端都依次连接在串行总线（４）上。它的方法步骤为：每个分节点（３）读取自己的地址数据、待机、实时接收串行总线（４）上传送的数据，主节点（２）待机，主节点（２）周期为Ｔ的中断发送数据，分节点（３）接收数据、循环冗余校验。本发明专利技术能达到５００Ｍｂｐｓ（百万字节／秒）的传输速度，在实际应用中将数据传输率被设定为２５Ｍｂｐｓ，就已满足机械臂实时控制的要求。

MLVDS high-speed serial communication control method in mechanical arm system

MLVDS high-speed serial communication device in mechanical arm system and communication control method thereof, which relates to the technical field of high speed serial communication. It is in order to overcome the communication rate of communication between upper computer and lower computer of existing manipulator is too low, leading to the existence of gravity lower computer data from the host computer can quickly update the joint angle of the expected value, velocity and acceleration values and the joint bearing problem. The main M - LVDS driver transceiver (2-2) and the serial communication terminal of the M - LVDS drive transceiver (3-1) are sequentially connected to the serial bus (4). The method includes steps: each node (3) reads the address data, own standby, real-time receiving serial bus (4) transmit data, the master node (2) standby, the master node (2) for the period T interrupt to send data, receive data points (3), cyclic redundancy check. The invention can achieve the transmission speed of 500Mbps (million bytes per second), and the data transmission rate is set to 25Mbps in practical application, so that the requirement of the real-time control of the mechanical arm is satisfied.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及的是高速串行通信的
技术背景HIT四自由度可折叠机器人系统由机械臂和末端HIT-DLR灵巧手组 成，整体重量约为25kg，伸直状态高度约为1.3m。机械臂共有四个旋转关 节，每个关节的设计采用大中心孔永磁无刷直流电机进行驱动，通过160:1 的谐波减速器实现大力矩输出。系统内所有走线均从中心孔穿过，结构紧 凑，并避免关节内产生绕线现象。通过此机器人，可以代替人在危险、恶 劣的环境下完成普通装置所不能完成的复杂操作任务，将在恶劣的空间环 境、危险的核工业环境和高级服务机器人等领域发挥重要作用。在机械手电气设计上采用上下位机结构下位机由四个关节和灵巧手 组成，控制电路集成在关节和灵巧手内部，其微处理器均采用FPGA;上位 机电路设计通过PCI总线集成在主计算机中，其微处理器使用DSP/FPGA， 其中FPGA主要实现数据的收发功能，是系统总线的重要组成部分。上下 位机采用两条高速串行总线，将机械臂和灵巧手分开通信，以实现实时高 精度的宏微协调操作，其中灵巧手采用点对点PPSeCo通信(专利号 200410013732.0)。另外，上位机DSP与主计算机实时通信，DSP接收主计 算机的操作信号，主计算机通过DSP反馈机械手的状态变量。对于上位机DSP、下位机FPGA只能进行定点运算，运算速度较慢且 内部微处理器资源有限，不利于实现系统运动学、动力学、轨迹规划和动 态补偿等运算。为了提高机器人系统动态性和稳定性，下位机应以最快的 速度从上位机更新关节角度期望值、速度值、加速度值和此时关节所承受 的重力。上海交通大学申请了 "基于通用串行总线接口的个人机械臂系统(公 开号1434391)的专利，将USB总线应用于固定机械臂同个人计算机相连 接，使机械臂具有即插即用功能，但是实际系统仍受USB总线协议中所规 定的电缆长度和通信速率的限制。
技术实现思路
本专利技术是为了克服现有机械手的上位机与下位机之间通讯总线的通信 速率太低，导致存在下位机不能快速的从上位机中更新关节角度期望值、 速度值、加速度值和此时关节所承受的重力数据的问题。而提出了一种机械臂系统中的M-LVDS高速串行通信装置及其通信控制方法。本专利技术由主节点2、多个分节点3、串行总线4、电阻RT1、电阻RT2组成；主节点2由主FPGA逻辑器件2-1、主M-LVDS驱动收发器2-2组成；FPGA逻辑器件2-1的通信数据输入输出总线端连接上位机中的DSP 数字信号处理器1的通信数据输入输出总线端，FPGA逻辑器件2-1的 M-LVDS数据控制输出输入总线端连接主M-LVDS驱动收发器2-2的数据 控制输出输入总线端；每个分节点3都由M-LVDS驱动收发器3-l、FPGA逻辑器件3-2组成；M-LVDS驱动收发器3-1的数据控制输出输入总线端连接FPGA逻辑器 件3-2的M-LVDS数据控制输出输入总线端，FPGA逻辑器件3-2的通信数 据输入输出总线端为外部数据输入输出端；主节点2中的主M-LVDS驱动收发器2-2的串行通信端、每个分节点3 中的M-LVDS驱动收发器3-1的串行通信端都依次连接在串行总线4上， 串行总线4两端的两条线之间分别跨接有电阻RT1 、电阻RT2。机械臂系统中的M-LVDS高速串行通信控制方法步骤为步骤一、开机，系统自检；步骤二、每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2都读取自己的地址数据; 地址数据包括接收总线地址和发送给主节点2中的主FPGA逻辑器件2-1 的地址；步骤三、设置数据收发过程时间T，分节点数量N，设置每个分节点3 发送数据时间T1;步骤四、主节点2的主FPGA逻辑器件2-1中的接收模块处于待机状态， 每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2的收发模块处于待机状态并实时接收串行总线4上传送的数据，主节点2中的主FPGA逻辑器件2-1的发送模块开始开启周期为r的定时中断；步骤五、主节点2的主FPGA逻辑器件2-1的发送模块判断是否进入T 定时中断，判断结果为否，则待机，判断结果为是，则进入T定时中断过 程；在T定时中断程序过程中，首先将已经接收到的各分节点3数据按照 分节点3顺序合并成包上传发送给上位机中的DSP数字信号处理器1,(第 一个周期数据均为0)，然后下传上位机中的DSP数字信号处理器1中发给 各分节点3的数据；开启T1单分节点3数据发送定时中断，并打开发送标 志位，退出T中断过程进入待机状态；步骤六、在待机状态下，判断是否进入T1中断且发送标志位是否为1， 判断结果为否，则待机，判断结果为是，则进入T1定时中断过程；在T1 定时中断过程中，首先发送单分节点3数据；然后判断最后一个分节点3 的数据是否发送结束，结果为否，则进入待机状态等待下一个T1中断发送 下一个分节点3的数据，判断结果为是，则关闭T1定时中断且将发送标志 位清零，继续待机；步骤七、当主节点2的主FPGA逻辑器件2-1的发送模块陆续发送各分 节点3数据的同时，每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2收发模块正处于 待机状态；在待机状态下，每个分节点3中的FPGA逻辑器件3-2实时接收 串行总线4上传送的数据，首先判断是否检测到帧开始段数据，判断结果 为否，则继续待机，结果为是，则接收地址段数据；接收完地址段数据后， 分节点3中的FPGA逻辑器件3-2进行地址匹配检测，判断结果为否，则说 明不是发给本分节点3的，继续持机，判断结果为是，则接收全部数据， 并把数据存入相应的存储器中；接收完数据后，数据进行循环冗余校验，用于确定数据包在传输过程中是否出错；判断结果为是，则进行解释和处 理数据，判断结果为否，则将接收的数据丢弃；循环冗余验证结束后，立 刻启动中断发送本分节点3数据；中断发送完自身分节点3数据后，继续待机；步骤八、当串行总线4上有数据返回时，主节点2的主FPGA逻辑器 件2-1的接收模块正处于待机状态；在待机状态下，主节点2的主FPGA逻辑器件2-1实时接收串行总线4上上传的数据，首先判断是否检测到帧开 始段数据，判断结果为否，则继续待机，判断结果为是，则接收地址段数 据；接收完地址段数据后，主节点2的主FPGA逻辑器件2-1进行地址匹配 检测，判断结果为否，则说明数据发送有误不属于地址段数据，继续持机， 判断结果为是，则判断是哪个分节点3发来的数据，并接收全部数据，将 其存储在相应的存储器中； 一个分节点3数据接收结束后，将进行循环冗 余校验，用于确定数据包在传输过程中是否出错；判断结果为是，则进行 解释和处理数据，判断结果为否，则将接收的数据丢弃；循环冗余验证结 束后，继续待机；步骤九、返回，运行步骤三。本专利技术能达到500Mbps(百万字节/秒)的传输速度，在实际应用中将数 据传输率被设定为25Mbps，就已满足机械臂实时控制的要求。M-LVDS信 号使用了士350mV的差分信号，因此具有极小的电磁干扰，很强的抗干扰 能力，这对于在传感器数据采集来说非常重要，极低的电磁干扰使得高精 度的传感器数据采集更加易于实现。并具有造价成本低廉、结构简单的优 占。八、、o附图说明图1是本专利技术的整体电路结构示意图。 具体实施例方式具体实施方式一结合图l说明本实施方式，本实施方式由主节点2、 多个分节点3、串行总线4、电阻本文档来自技高网...

【技术保护点】
机械臂系统中的Ｍ－ＬＶＤＳ高速串行通信装置，它由主节点（２）、多个分节点（３）、串行总线（４）、电阻ＲＴ１、电阻ＲＴ２组成；其特征在于主节点（２）由主ＦＰＧＡ逻辑器件（２－１）、主Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（２－２）组成；ＦＰＧＡ逻辑器件（２－１）的通信数据输入输出总线端连接上位机中的ＤＳＰ数字信号处理器（１）的通信数据输入输出总线端ＦＰＧＡ逻辑器件（２－１）的Ｍ－ＬＶＤＳ数据控制输出输入总线端连接主Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（２－２）的数据控制输出输入总线端；每个分节点（３）都由Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（３－１）、ＦＰＧＡ逻辑器件（３－２）组成；Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（３－１）的数据控制输出输入总线端连接ＦＰＧＡ逻辑器件（３－２）的Ｍ－ＬＶＤＳ数据控制输出输入总线端，ＦＰＧＡ逻辑器件（３－２）的通信数据输入输出总线端为外部数据输入输出端；主节点（２）中的主Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（２－２）的串行通信端、每个分节点（３）中的Ｍ－ＬＶＤＳ驱动收发器（３－１）的串行通信端都依次连接在串行总线（４）上，串行总线（４）两端的两条线之间分别跨接有电阻ＲＴ１、电阻ＲＴ２。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄剑斌，刘宏，谢宗武，金明河，孙奎，蒋再男，刘璐，熊根良，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]